化工項目管道材料等級設(shè)計與選材原則探析

左秋月

摘 要：化工管道作為化工項目運行過程中的組成部分，其材料設(shè)計是化工工程中的必要環(huán)節(jié)，合理有效的材料設(shè)計對于項目的正常開展和推進有著重要的意義。基于此，本文根據(jù)化工項目工程設(shè)計的相關(guān)規(guī)范標準以及實際經(jīng)驗，對化工項目管道的材料等級設(shè)計和選材原則展開了詳細地分析。以期能夠為相關(guān)從業(yè)人員提供有效參考。

關(guān)鍵詞：化工項目;管道材料;等級設(shè)計;選材原則

隨著我國市場經(jīng)濟以及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，化工行業(yè)也取得了重大突破。由于化工項目溫度以及壓力方面有著較大的變化，而且介質(zhì)的種類十分多樣，不僅有易燃爆物質(zhì)，而且還包括了各種酸類、堿類等腐蝕性物質(zhì)和毒性物質(zhì)，因此為了盡可能保障管道系統(tǒng)的運輸安全，需要加強對于管道材料的研究和設(shè)計，確保整個化工項目的安全性和穩(wěn)定性。

1 化工項目中管道材料等級設(shè)計

1.1 流體類別和壓力管道級別

在進行管道材料等級設(shè)計的過程中，需要根據(jù)客戶的實際需求選擇相應(yīng)的管道設(shè)計標準。例如，當按照ASME標準進行管道設(shè)計的過程中，需要先與客戶明確流體的種類，確定是正常流體、D類流體、M類流體還是高壓、潔凈或者劇烈循環(huán)流體，根據(jù)不同流體的類別確定壓力管道的級別。

1.2 介質(zhì)特性及操作設(shè)計條件

在化工項目中進行管道選材和等級確定的時候，需要將介質(zhì)的特性作為主要判斷因素，并且還需要結(jié)合實際操作、設(shè)計條件進行綜合考慮。管道介質(zhì)的特性包括物理性質(zhì)、可燃性、毒性以及腐蝕性，物理性質(zhì)指的是介質(zhì)的壓力、溫度等，可燃性指的是爆炸極限、爆炸壓力等，工業(yè)毒物有固體類的粉塵煙塵，液體類的薄霧蒸汽，還包括氣態(tài)物質(zhì)，介質(zhì)的腐蝕性指的是材料與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)導致其被破壞或者編制的情況。不同條件下，不同特性的介質(zhì)需要選擇的材料有所不同，因此，在進行管道設(shè)計之前，需要對以上三種因素進行逐一確定。

1.3 管道系統(tǒng)公稱壓力等級確定

通常情況下，如果業(yè)主沒有特殊要求，在進行管道壓力設(shè)計的時候，可以將法蘭額定壓力作為管道系統(tǒng)的額定壓力，以此確保管道承壓能夠大于公稱壓力。值得注意的是，在進行大口徑管道即超過DN600的管道設(shè)計時，在綜合考慮經(jīng)濟成本的情況下，需要盡量減少由于厚度影響而進行的焊后熱處理。

1.4 管道壁厚設(shè)計

由于化工項目的特殊性，為保障管道系統(tǒng)的運行安全，除了要設(shè)計管道壓力之外，還需要對管道的壁厚進行計算和設(shè)計。在計算管道壁厚時，需要根據(jù)先前選擇的設(shè)計標準SH/T3059中規(guī)定的公式進行，其中的內(nèi)壓就是指管道系統(tǒng)的額定壓力。管道壁厚計算公式如下所示。

Tsd=Ts+C

Ts=PD0/2（[δ]t*Ej+PY）

C=C1+C2

公式中Ts表示支管計算厚度，單位是mm;P為設(shè)計壓

力，單位MPa;D0為管子外徑，單位是mm;[δ]t代表在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，單位MPa;Ej為厚度附加量只和;C1為厚度減薄附加量，包括加工開槽、螺紋深度以及材料厚度負偏差，單位是mm;C2為腐蝕或磨蝕附加量，通常取1.5mm;Y為修正系數(shù)。

管道壁厚的設(shè)計要在符合基本設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，以極限狀態(tài)作為設(shè)計理念，在確保管道系統(tǒng)運行安全的同時，盡量降低管道的壁厚。另外，在進行管道壁厚的計算時，為保障管道設(shè)計質(zhì)量，還需要考慮腐蝕裕量，腐蝕裕量是根據(jù)壓力容器的預(yù)期使用壽命以及介質(zhì)對于管道材料的腐蝕速率進行確定的，不僅要考慮到介質(zhì)流動過程中對于管道及相關(guān)元件的沖蝕量和磨損量，以確保管道壁厚設(shè)計能夠滿足實際需求。值得注意的是，對于工藝真空下的外壓工況管道，進行壁厚設(shè)計時，還需要對管道外壓壁厚進行核驗，以此保障管道壁厚設(shè)計的科學性和合理性，確保管道系統(tǒng)的運行安全[1]。

1.5 管道等級索引

進行管道等級設(shè)計之前，還需要編制相應(yīng)的工藝介質(zhì)表，在化工項目中進行管道設(shè)計，就需要先了解不同管道中運輸?shù)慕橘|(zhì)，明確介質(zhì)的各方面參數(shù)以及對管道的作用效果，以此才能夠進行合理的管道設(shè)計。在編制工藝介質(zhì)表時，需要將不同管道中運輸?shù)慕橘|(zhì)逐一列舉出來，并分別標注好相應(yīng)的等級代號，然后以此確定管道系統(tǒng)的實際操作壓力和溫度，應(yīng)該設(shè)計的工況溫度、壓力，法蘭壓力等級標準以及腐蝕裕度等，并以此確定管道設(shè)計應(yīng)選擇的材料、管件、閥門等相關(guān)配件的形式和材料質(zhì)量要求。與此同時，為進一步保障化工項目管道設(shè)計的整體性和統(tǒng)一性，還需要對公用工程等相關(guān)管道中的介質(zhì)條件進行分析。完成化工項目中工藝介質(zhì)表的編寫之后，在此基礎(chǔ)之上，在進行管道等級索引表的編制，根據(jù)不同介質(zhì)的要求，匹配不同材料、腐蝕裕度、溫度、壓力等的管道，并確定公稱壓力，以此為依據(jù)進行管道等級的劃分。

1.6 管子、管件選擇

在管道系統(tǒng)設(shè)計的過程中，除閥門以外，還需要對其中的管子、管件等各種組件進行材料、連接等方面的選擇。例如，在選擇管子時，化工項目中常用的管子有焊接和無縫兩種鋼管。對于不同的鋼管我國有相應(yīng)的標準。需要根據(jù)實際項目需求和相關(guān)標準選擇相關(guān)組件。常用的焊接鋼管標準有GB/T3091《流體輸送用焊接鋼管》、GB12771《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》等。目前我國常用的焊接鋼管包括連續(xù)爐焊（鍛焊）鋼管、電阻焊鋼管、電弧焊鋼管等。無縫鋼管有碳素鋼無縫鋼管、不銹鋼無縫鋼管等。

1.7 閥門選擇

根據(jù)閥門的功能進行劃分，可以將其劃分為止回閥、節(jié)流閥以及截止閥、球閥、蝶閥等多種形式。在選用閥門時，需要根據(jù)實際情況進行合理的取舍，此外，還需要對閥門斷面的形式、尺寸、壁厚以及材料等各種因素進行合理考量。例如，截止閥是當前應(yīng)用較為廣泛的閥門，對于一些需要對介質(zhì)的流量進行調(diào)節(jié)的部分常使用截止閥，如泵的出口。止回閥常用于單一介質(zhì)的管道中，其主要作用是防止介質(zhì)反向流動造成污染或者溫度壓力等的變化。

1.8 支管連接等級表

由于管道系統(tǒng)中需要設(shè)置相應(yīng)的支管表。因為支管開孔會將管道削弱，在管道壁厚不足以確保運行安全穩(wěn)定的情況下，需要采取適當?shù)难a強措施。在進行支管連接表選用時，需要根據(jù)規(guī)范標準選擇合適的管件，此外在進行補強計算的時候，需要按照等面積算法進行[2]。補強材料的選擇也需要與主管道相同，此外無論何時，補強板的厚度都需要在主管厚度的1.5倍以下，在實際操作過程中，可通過增加開口處局部管道厚度的方式控制補強板厚度。

2 不同化工項目中管道選材的原則

2.1 常用工藝物料管道

在化工項目管道設(shè)計和選材過程中，常見的就是普通工藝物料管道，其中管道運輸?shù)闹饕锪蠟橛袡C酸、溶劑以及烴類等，對待此種管道，在各方面條件允許的情況下，應(yīng)該首先選擇不銹鋼304L和316L等型號的鋼材，例如，如果化工管道中的流體是醋酸時，可根據(jù)情況選擇316型的不銹鋼作為管道材料;如果化工管道中的介質(zhì)有晶間腐蝕作用，則為減少其對于管道的腐蝕傷害，應(yīng)該選擇超低碳管材，通過固溶處理的方式，在其中添加鈮和鈦等化學元素，根據(jù)實際情況選擇碳鋼材料。

2.2 公用工程管道

公用工程管道主要用于空氣、氮氣、水以及蒸汽的運輸，在各方面綜合考慮之下，建議選擇碳鋼材料的管道。如果管道系統(tǒng)設(shè)計中，要求管道保持潔凈的情況下，可選擇304不銹鋼材料，或者在合適的部位使用碳鋼熱鍍鋅管道。對于冷卻水埋地管道而言，為防止管道系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)腐蝕問題，需要在管道上涂刷防腐層，或者使用玻璃鋼材料。

2.3 消防給排水管道

對于消防和給排水管道材料的選擇，通常情況下消防室內(nèi)的地面上管道，常選擇碳鋼熱鍍鋅管道，通過螺紋或者溝槽的方式進行連接，當DN<50的時候，可選用螺紋連接方式，當DN≥65的時候，需要使用溝槽連接方式。對于有埋地需求的消防管道，為有效預(yù)防地下腐蝕帶來的隱患，需要在碳鋼表面涂刷防腐層。對于給排水管道材料的選擇，也需要針對不同情況進行分類討論，如，埋地給水管道選擇HDPE等材料，而室內(nèi)給水管道則使用PP-R材料或者紫銅。埋地排水管道可選擇PE管或者玻璃鋼管等，室內(nèi)排水則可選擇PVC-U管道，對于有腐蝕性的壓力排水管道需要選擇HDPE等，如果排水中不含腐蝕性物質(zhì)則可以選擇碳鋼[3]。

2.4 高、低溫管道

不同的高低溫工況其管道材料選擇也存在一定差異，在選擇管道材料時需要根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，結(jié)合不同材料的溫度適用范圍進行合理選擇。對于高溫工況，在選擇材料時應(yīng)重視溫度對于材料形變的影響，如碳鋼的最大適用溫度在475℃以下，低合金鋼的適用溫度在475℃以下，對于高溫工況化工項目而言，管道材料應(yīng)選擇鉻--鉬系的低合金鋼，也可以選用碳含量在0.04%的不銹鋼。低溫工況下的管道選擇，一般低溫可以選擇碳--錳鋼，對于深冷管道則需要使用3.5鎳合金鋼，也可根據(jù)實際情況選擇奧氏體不銹。除此之外，在高低溫工況下，還需要對管道系統(tǒng)中的非金屬部分進行耐溫檢測，以此確保管道系統(tǒng)的安全性和可靠性。常用金屬材料使用溫度如表1所示。

2.5 強酸管道

在化工項目管道設(shè)計中，難免會遇到一些需要運輸強酸的管道設(shè)計，此類介質(zhì)有著極強的腐蝕性，因此管道應(yīng)選擇具備一定耐腐性的材料，或者通過增加管道腐蝕裕度達成目的。對于鹽酸以及稀硫酸而言，通常會選擇鋼襯四氟PTFE/CS或者搪玻璃的管道，此類管道有著優(yōu)良的耐溫性能和耐真空能力，此外，還可以根據(jù)實際情況酌情選擇塑料HDPE、PVDF等相關(guān)材料，對于溫度壓力超標的情況，則應(yīng)選擇哈氏等高合金。如果輸送介質(zhì)為濃硫酸，則需要使用SS316L，或者碳鋼。與濃硫酸不同的是硝酸可以使用304不銹鋼。此外，為防止強酸腐蝕性介質(zhì)的危害，需要加強對于接頭、閥門等部位的處理，合理設(shè)置防噴濺、防泄漏的保護罩。

2.6 堿液和液氨應(yīng)力腐蝕管道

對于此類化工項目管道材料的選擇需要按照SH/T3059標準進行。例如，在選擇氫氧化鈉溶液管道材料的時候，就需要根據(jù)介質(zhì)的實際濃度以及溫度等相關(guān)參數(shù)的整體組合值進行選擇，由低到高分別使用碳鋼、消除應(yīng)力熱處理碳鋼以及鎳基合金。在進行管道材料選擇時，可選擇20#或者Q345，同時還需要對其進行適當?shù)奶幚?，如消?yīng)力熱處理，或者控制好材料的含水量、焊縫硬度等，或者直接使用不銹鋼材料。不發(fā)堿脆的濃度與溫度對應(yīng)最大值如表2所示。

2.7 氯氣管道

氯氣在不同狀態(tài)下其對于管道的需求是不一樣的，對于常溫干燥的氯氣而言，選擇無縫碳鋼管道即可，如果是高溫干燥的氯氣，則需要選擇不銹鋼等。需要根據(jù)GB11984

標準，對于濕氯氣而言，則需要考慮其腐蝕性，應(yīng)選擇鈦和鈦合金或者PVC+FRP復合管等[4]。另外，由于氯氣的泄露會產(chǎn)生極大的危害，因此應(yīng)做好管道系統(tǒng)的防泄漏措施，使用氯氣管道專用閥門。

2.8 氧氣管道

當管道介質(zhì)為氧氣時，材料的選擇需要參照國家相關(guān)規(guī)范標準GB50030-2013，根據(jù)管道的實際使用場所，以及氧氣的流速以及壓力進行材料選擇。常用的材料為碳鋼、不銹鋼和鎳基合金等。除氣態(tài)氧之外，還有液態(tài)氧的輸送，對于液態(tài)氧而言，則需要選用無縫奧氏體不銹鋼管等作為管道材料。值得注意的是，氧氣管道的閥門需要選擇全通徑、PTEE填料的球閥，此外，還需要對氧氣管道系統(tǒng)進行脫脂處理。

2.9 氫氣管道

我國對于氫氣管道的設(shè)計和材料選擇也有相關(guān)規(guī)范GB50177，氫氣管道材料要先滿足GB50177標準，通常氫氣管道材料選擇碳鋼，并需要結(jié)合流速、閥門等相關(guān)部分進行綜合設(shè)計。另外，當氫氣管道的溫度在200℃以上時，應(yīng)在其最高溫度的基礎(chǔ)上再合理增加20-40℃裕量進行材料選擇。

2.10 環(huán)氯乙烷管道

由于環(huán)氯乙烷的危害性較大，而且活性強，很容易與其他雜質(zhì)之間發(fā)生反應(yīng)，因此在選擇管道系統(tǒng)材料的時候，還需要考慮閥門的設(shè)計，通常管道材料可使用304L，閥門宜選擇密閉性好、低泄漏的閥門，此外，在投入使用之前，還需要對管道系統(tǒng)進行徹底清洗，可通過環(huán)氧乙烷生成乙烯胺，但是由于這兩種物質(zhì)都會使得橡膠脆化，因此，需要使用石墨纏繞墊等預(yù)防橡膠圈失效。

3 結(jié)束語

綜上所述，在進行化工項目管道設(shè)計和材料選擇的過程中，對于不同類型的介質(zhì)，需要選擇相應(yīng)的管道材料，以此有效避免后續(xù)風險，并且材料的選擇要符合相關(guān)規(guī)范標準，還需要滿足設(shè)計要求，可通過專業(yè)的材料軟件進行建模和材料等級設(shè)計，極大程度上提高管道設(shè)計的合理性。相信通過對化工管道的不懈研究，我國化工項目質(zhì)量將會得到進一步突破。

參考文獻：

[1]張正民.化工工程設(shè)備管道與材料優(yōu)化設(shè)計研究[J].化工管理，2018（02）：231-231.

[2]許才盛，孫明剛，肖鳳祥.化工工程設(shè)備管道與材料優(yōu)化設(shè)計[J].化工設(shè)計通訊，2019，45（03）：118-119.

[3]姚文月.化工工程中設(shè)備管道與材料設(shè)計優(yōu)化[J].市場調(diào)查信息（綜合版），2019（03）：00128-00128.

[4]安紅衛(wèi).化工項目管道材料等級設(shè)計與選材要點[J].化工設(shè)計通訊，2018，44（07）：142+246.